[发明专利]幅度锥形化的波束切换天线系统

说明书

背景技术

采用巴特勒矩阵(ButlerMatrix)馈电网络的波束切换天线系统 是众所周知的。在基本类型的常规波束切换天线系统中，巴特勒矩阵 馈电网络具有N个天线端口，其中“N”是大于一的数目，它们向辐 射元件的N个阵列或列馈电(当发射信号时)或者被辐射元件的N 个阵列或列馈电(当接收信号时)。巴特勒矩阵馈电网络在辐射元件 的阵列之间均等地分配信号功率，并且取决于巴特勒矩阵馈电网络的 哪个接收器/发射器端口被使用而提供不同的相位进度(progression)。 通过改变相位进度，天线的主波束能够从一个点“切换”到另一点。

图1示出了示例性的基本常规波束切换天线系统10，其包括波束 切换天线20、巴特勒矩阵馈电网络50、以及一个或多个无线电接收 器和/或无线发射器100。天线20包括关于导电背板38而被放置的、 相关联的电磁辐射元件37的三个共线的阵列(或者“列”)22、24、 26。共线的天线阵列22、24、26包括第一外部阵列22、中心阵列24、 以及第二外部阵列26。电磁辐射元件24可以是偶极子辐射元件(“偶 极子”)或者其他类型的辐射元件。巴特勒矩阵馈电网络50是具有 三个天线端口52、54、56和三个无线电接收器/发射器端口60、62、 64的三路(three-way)设备。

天线端口52、54、56每个都通过与每个阵列相关联的电缆59和 连接器39连接到共线的阵列22、24、26中相应的一个阵列。接收器 /发射器端口62、64、66通过电缆67连接到一个或多个无线电接收器 和/或无线电发射器100。

天线系统20被配置为使得能量从每个共线的阵列22、24、26以 相等的功率被辐射或者接收。

如系统20这样的系统的缺陷是，在辐射元件的阵列之间的相等 功率分配导致了高的旁瓣电平，这浪费了能量并且可能引起与其他装 备的干扰。因此，现有技术中已经开发了多种解决方案来从巴特勒矩 阵馈电网络提供不均等的功率分发，以便最小化天线波束图案的旁瓣 电平。

一种已知的解决方案是将N路巴特勒矩阵馈电网络的相邻的接 收器/发射器端口“配对”，这创建了跨N个天线端口的二项式 (binomial)功率分发，以向N个辐射元件阵列馈电(当发射信号时) 或者被N个辐射元件阵列馈电(当接收信号时)。这种解决方案将天 线波束的数目减少至N/2。此外，作为结果的二项式振幅锥形(taper) 是高度低效的并且提供比典型情形更宽的波束带宽，这减少了天线的 增益。

另一种已知的解决方案是将功率分配器/组合器连接至四路巴特 勒矩阵馈电网络的天线端口中的两个天线端口，以便向六个共线的偶 极子阵列馈送信号或者从六个共线的偶极子阵列接收信号。功率分配 器/组合器每个都包括两个功率分配器/组合器天线端口。在每个功率 分配器/组合器中，功率分配器/组合器天线端口中的一个连接至最外 部的偶极子阵列，并且另一个功率分配器/组合器天线端口连接至与最 外部偶极子阵列相邻的偶极子阵列。功率跨每个功率分配器/组合器的 两个功率分配器/组合器天线端口而均匀地被分发，从而最外部的偶极 子阵列接收到与它们的相邻辐射元件阵列相同量的功率。在一种减少 旁瓣电平的努力中，通过一种被称为孔径锥形化(tapering)的技术， 最外部的偶极子阵列被提供具有比它们的相邻偶极子阵列更低数目 的辐射元件。然而，孔径锥形化是低效的，因为波束切换阵列在每个 相邻的偶极子阵列具有相同数目的偶极子时工作得最好。当在相邻的 阵列之间偶极子的数目不同时，每个阵列的波束图案在相位上并不累 加，旁瓣电平比所期望的更高并且天线的增益被折衷。

因此，合意的是提供如下的波束切换天线系统，它们解决了现有 技术的缺陷并且提供了在旁瓣抑制与整体天线增益之间的改进平衡。

发明内容

本公开内容涉及各种波束切换天线系统，它们包括相控阵列馈电 网络以及被配置为创建多个天线波束的多阵列天线。所公开的天线系 统提供了旁瓣抑制与天线增益的改进组合。

根据本发明的一个实施例，一种天线系统包括多波束天线和相控 阵列馈电网络。多波束天线可以包括关于导电底板而放置的多个共线 阵列。该多个共线阵列可以包括至少一个中部共线阵列和放置在该至 少一个中部共线阵列外侧的两个外部共线阵列。该多个共线阵列中的 每个共线阵列可以具有一个或多个电磁辐射元件。